Světlo hýbe předměty

Je dost pravděpodobné, že jste ještě neslyšeli o fyzikálním jevu optické pasti ani o optických pinzetách. Na druhou stranu si něco takového snadno dovedete představit. Třeba z různých sci-fi povídek či seriálů. Na titulním obrázku tohoto článku vidíte fotku ze seriálu Star Trek. Borgská loď zde drží vesmírnou loď Enterprise ve vlečném paprsku. Stejně funguje i optická pinzeta – s jedním důležitým rozdílem: vše se odehrává ve velmi malých rozměrech, řádově v nanometrech až mikrometrech.

Vše začalo již v počátcích kvantové fyziky na začátku minulého století. Z Maxwellovy teorie elektromagnetického pole a z Einsteinova výzkumu fotoelektrického jevu vyplynulo, že světlo, respektive jeho elementární částice foton, má sice nulovou hmotnost, ale má nenulovou hybnost. (Zde se objevuje základní kámen fyziky mikrosvěta, a to, že v malém rozměru platí naprosto odlišné, někdy až zdravému rozumu odporující zákony). Když foton dopadá na nějaký předmět, je buď absorbován (např. na černých předmětech), nebo se odrazí. Tím se změní hybnost fotonu, a jelikož platí zákon zachování hybnosti, tento rozdíl se projeví a působí na daný předmět jako síla umístěná do jeho těžiště.
Tento princip byl objeven již v první polovině 20. století. Nezdálo se však, že by se v pozemských podmínkách objevil vhodný zdroj světla, který by umožnil manipulovat s částicemi. Vše změnil vynález laseru. Vysoká intenzita a gradient pole laserového svazku (gradient – spojitá změna profilu intenzity v prostoru) umožnily vyvinout dostatečně veliké síly k tomu, aby bylo možné urychlit a chytit do pasti malou částici.
Jak to funguje? Ukazuje se, že když je průsvitná částice, jejíž index lomu je větší než index lomu okolního prostředí, vystavena světlu, světelný tlak ji táhne do míst s největší intenzitou světla. Důvod vysvětlil průkopník optické mikromanipulace Artur Ashkin ve svém článku, který publikoval v roce 1971. Závěr, ke kterému dospěl, je nejlépe patrný z obrázku 1. Kulička (průhledná) o indexu lomu n1, se nachází v prostředí o indexu lomu n2, přičemž n1 > n2. Prostředím se šíří laserové světlo, jehož osa souměrnosti neprotíná střed kuličky. Uvažujme nyní libovolnou dvojici paprsků souměrných podle osy kuličky, rovnoběžné s osou šíření světla. Vezměme paprsek a. Po dopadu na rozhraní s kuličkou podstupuje odraz a lom na vstupu a výstupu z kuličky, přičemž jednotlivé fotony zde ztrácejí svou hybnost a předávají ji kuličce. Tím vyvolávají síly F1–4. Síla F2 (respektive F4) vzniká při odrazu na vstupu (respektive výstupu) a síla F1 (resp. F3) při lomu na vstupu (respektive výstupu), přičemž jejich výslednice dává zrychlení ve směru +z a –r. Symetrické síly vznikají pro paprsek b, takže i zde síly způsobují zrychlení ve směru +z a +r. Jelikož intenzita světla v místě paprsku a je mnohem větší než v místě paprsku b, je i příspěvek ve směru -r větší, takže po vektorovém sečtení všech sil a integraci přes celou kuličku zjišťujeme, že výsledná síla má 2 složky:
1. složka působící podél osy laserového svazku ve směru jeho šíření – tuto složku nazýváme rozptylovou (z anglického scattering force) a značíme ji Fscat. Ta je přímo úměrná intenzitě světla.
2. složka působící směrem k ose paprsku – tuto složku nazýváme gradientní (z anglického gradient force) a značíme ji Fgrad. Ta je úměrná gradientu intenzity světla. Je patrné, že druhá složka vymizí v okamžiku, kdy kulička dospěje přesně na osu svazku.
Z výše zmíněného se dá odvodit jednoduchý závěr. Dielektrická částice (o indexu lomu n1) ponořená v tekutém médiu (o indexu lomu n2) vystavená záření kontinuálního, nepříliš fokusovaného laseru za podmínky n1 > n2 pociťuje síly elektromagnetického tlaku a v jejich důsledku je simultánně centrována do osy svazku a unášena ve směru šíření světla.
Ashkin tyto výsledky ověřil působením na miniaturní latexové kuličky ponořené ve vodě. Za zdroj světla zvolil argonový laser pracující v kontinuálním režimu na vlnové délce =514,5 nm.
Tento objev dokázal uchytit částici ve dvou rozměrech. Průlom v optické mikromanipulaci se objevil teprve v roce 1986. Tehdy A. Ashkin objevil, že fokusujeme-li velmi úzce laserové světlo, (Fokusovat znamená zúžit v jednom místě paprsek do co nejmenší oblasti, je to možné provést například čočkou), potom vysoký gradient intenzity světelného záření nepozorujeme pouze v příčném směru, ale i podél osy svazku kolem celého ohniska a Fgrad nemá pouze příčnou složku, ale také složku, která působí buď ve směru šíření světla (částice se nachází před ohniskem), anebo proti směru šíření a tím pádem i proti Fscat a posunuje částici směrem k ohnisku! V tomto případě pak částice v určitém místě dosáhne rovnovážné polohy, kdy celková výslednice sil na ni působících je nulová. K představě, jak optické síly působí, nejlépe poslouží obrázek 2.

REALIZACE OPTICKÉ PINZETY
Do dnešní doby se objevilo mnoho modifikací optických pinzet, respektive mnoho způsobů, jak optického tlaku využít.
První zajímavou možností je využití tzv. optické levitace. Optická levitace používá nefokusovaný svazek šířící se směrem proti gravitačnímu poli Země. Částice zasažená světlem je tedy centrována do osy svazku laserového světla a unášena směrem vzhůru. V okamžiku, kdy nastane rovnost rozptylové a gravitační síly, se částice zastaví v rovnovážné poloze. Tato metoda je zejména vhodná ke studiu uchopených částic, např. pomocí spektroskopických metod.
Další možností je dvousvazková past. Jedná se o dva proti sobě se šířící nefokusované svazky. Uprostřed mezi ohnisky vzniká rovnovážná poloha. Toto zařízení se dnes uplatňuje jako optický strecher (obrázek 3). Využít takto zkonstruovanou past je možno pro napínání buněk (proto je tento mechanismus v anglické literatuře nazýván cell stretcher). Zařízení je schopno měřit viskoelasticitu buněk s dostatečnou přesností a používá se k rozlišení mezi různými cytoskeletálními typy. Předpokládá se, že toto zařízení bude vhodné pro rozpoznávání rakoviny. Rakovinové buňky se totiž roztáhnou více než zdravé buňky a tento rozdíl je snadno patrný.
Nejrozšířenější optickou pastí je jednosvazková past. Tedy onen silně fokusovaný laser, jež uchytí částici ve třech rozměrech. Pro mnoho aplikací se ukazuje pinzeta mnohem lepší než levitace. Levitace totiž závisí na gravitaci a působí silou ~ mg, kde m je hmotnost a g gravitační zrychlení. Naproti tomu pinzeta může vytvořit sílu o velikosti tisíců mg a je limitována pouze optickým výkonem. Toho s výhodou využíváme pro submikronové částice v situacích, kdy gravitace nehraje podstatnou roli a dominuje Brownův pohyb. Pinzeta také není tak citlivá na nepravidelnosti ve tvaru zachycených částic. Optická pinzeta byla již mnohokrát zrealizována a to za použití různých laserů a různých uspořádání pro různě veliké částice umístěné v různém prostředí. To je vhodné při genových manipulacích s bakteriemi. Optickou pinzetou můžeme vybrat jednu z těch, u nichž se manipulace povedla, a namnožit ji v jiné nádobě.

VYUŽITÍ OPTICKÉ PINZETY
Optická pinzeta se ukazuje velmi vhodnou pro biologii. Je dostatečně šetrná (neničí buňky, pokud je použit vhodný typ laseru), biologický materiál navíc není kontaminován žádnými nečistotami. Optická pinzeta se dále používá ke studiu a měření různých vnitřních procesů v buňkách. Další možností je chytání živých spermií a měření jejich pohyblivosti, nastartování buněčné fúze nebo k oplodnění ve zkumavce. Rozsáhlou partii dnes rovněž představuje užití v buněčné genetice pro manipulaci DNA. Podařilo se například změřit síly, které drží molekuly DNA v náhodných koloidních konfiguracích, studovat DNA – proteinovou interakci a genový přepis.
Zajímavé aplikace optických manipulačních technik se nacházejí i v širokých oblastech chemie a fyziky. Studoval se fázový přechod a krystalizace mezi koloidním roztokem a koloidním krystalem. Byl zkonstruován nový mikroskop na měření síly (scanning-force microscope). Zde obecně je konstanta pružnosti kritickým parametrem, čím je nižší, tím je možno měřit menší síly. Zařízení funguje na následujícím principu. Tvrdý hrot je uchycen do pasti, pak se přiblíží ke skenovanému povrchu. Z osové odchylky hrotu z rovnovážné polohy můžeme analyzovat povrch. Předpokládá se, že tato technika pomůže zdokonalit zobrazování měkkých povrchů. Značného využití optické mikromanipulace se dosáhlo v oblasti mikrochemie, která studuje spektroskopii a chemické vlastnosti objektů řádově mikrometry veliké. Bylo učiněno mnoho experimentů kombinujících chytání do pasti s fluorescencí, absorpční spektroskopií, fotochemií a elektrochemií.

HOLOGRAFICKÁ OPTICKÁ PINZETA
Optická pinzeta se ukázala jako velmi užitečný pomocník pro mnoho oblastí vědy. Jednou nevýhodou, kterou toto zařízení mělo, byla velmi obtížná manipulace s chycenými částicemi. Tuto nevýhodu pomohlo odstranit zakomponování prostorového světelného modulátoru (SLM – z anglického Spatial Light Modulator) do konstrukce pinzety. Toto zařízení je vlastně malý LCD monitor, avšak každý jeho pixel má jen 16 úrovní šedi (0 – černá, 15 bílá). Když se však pomocí počítače nastaví na tomto displeji vhodné rozložení šedivosti a dopadne na něj laserové světlo, při odrazu vznikne prakticky libovolná světelná vlna. Ta se dá v reálném čase měnit a může v prostoru vytvořit několik fokusů – tedy pastí a libovolně s nimi manipulovat v reálném čase. Protože matematicky se popis tvorby difraktovaného paprsku neliší od tvorby hologramu, začal se pro toto zařízení používat dnes již velmi vžitý název holografická optická pinzeta (anglicky holographic optical tweezers – HOT). Její využití je dnes už velmi rozšířené v mnoha oblastech lidského bádání, mimo jiné v lékařství, genetice, potravinářském výzkumu a mnoha a mnoha dalších.

Další informace na:
http://www.isibrno.cz/omitec />http://www.arryx.com />